Đang tải... (xem toàn văn)
Hiện nay, các ngành công nghiệp phát triển mạnh, bên cạnh những thành tựu đạt được, xã hội đang phải đối mặt với ô nhiễm môi trường bởi các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học (phenol và các dẫn xuất, thuốc nhuộm…). Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình điều chế sét hữu cơ từ bentonit Bình Thuận và BTPB. Sét hữu cơ điều chế có thể được ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường nước.
Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 2/2020 NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ CẤU TRÚC SÉT HỮU CƠ TỪ BENTONIT BÌNH THUẬN VỚI BUTYLTRIPHENYLPHOTPHONI BROMUA Đến tòa soạn 2-10-2019 Phạm Thị Hà Thanh, Nguyễn Mạnh Cường Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên SUMMARY SYNTHESIS AND STRUCTURE RESEARCH ORGANOCLAYS FROM BINH THUAN BENTONITE WITH BUTYLTRIPHENYLPHOSPHONIUM BROMIDE Organoclay is synthesized from bentonite Binh Thuan and butyltriphenylphosphonium bromide (BTPB) by wet method The influence of organoclay making process on the distance of the organoclay layers (d001) and the level of intrusion BTPB into bentonite were studied By X-ray diffraction method, the direct method calcined sample, we determined suitable conditions for preparing organoclays from bentonite (India) and BTPB: reaction temperature is 50oC, the volume ratio BTPB/bentonite is 0.5, pH reactionis 9, the reaction time is 4h The product is dried for 48 hours at 80oC Organoclay synthesis is studied by the methods as XRD, TGA, SEM The d001 and organic content in the respective product is 19,535Å; 20,93% SEM images showed that the organoclay synthesis has layer structure and high porosity Keywords: Synthesis, bentonite, butyltriphenylphosphonium bromide, organoclays, structure Việt Nam nghiên cứu [2], [3], [5], [6], [7] Tuy nhiên sét hữu tổng hợp từ nguồn bentonit Bình Thuận với butyltriphenylphotphoni bromua (BTPB) chưa nghiên cứu Việt Nam Vì chúng tơi đặt hướng nghiên cứu khảo sát số yếu tổ ảnh hưởng tới trình điều chế sét hữu từ bentonit Bình Thuận BTPB Sét hữu điều chế ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường nước THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất, thiết bị Hóa chất: Sử dụng bentonit Bình Thuận (bentB), có thành phần SiO2 (68,40%), Al2O3 (9,26%), Fe2O3 (2,10%), MgO (1,51%), CaO (5,80%), K2O (1,26%), Na2O (1,87%), tác nhân hữu hóa sử dụng muối photphoni bậc bốn: C22H24PBr (M= 399,2312 g/mol) butyltriphenylphotphoni bromua (BTPB) Các hóa chất khác: HCl 0,1M, NaOH 0,1M, AgNO3 0,1M MỞ ĐẦU Hiện nay, ngành công nghiệp phát triển mạnh, bên cạnh thành tựu đạt được, xã hội phải đối mặt với ô nhiễm mội trường chất hữu khó phân hủy sinh học (phenol dẫn xuất, thuốc nhuộm…) Có nhiều vật liệu nghiên cứu sử dụng để xử lý, hấp phụ hợp chất hữu cơ, vật liệu bị hạn chế kích thước mao quản nhỏ dẫn đến không phát huy tác dụng hấp phụ phân tử phức tạp, cồng kềnh [1], [8] Hiện nay, nhà khoa học giới nước nghiên cứu việc sử dụng bentonit biến tính có cấu trúc lớp khoảng cách lớp lớn để khắc phục nhược điểm than hoạt tính zeolit [4], [5], [6], [7] Vấn đề nghiên cứu tổng hợp sét hữu từ bentonit với muối photphoni nhiều nhà khoa học cộng giới 153 Thiết bị: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu sét hữu đo máy D8 Advanced Bruker (CHLB Đức) với anot Cu có λ (Kα) = 0,154056nm, khoảng ghi 2θ = 0,5o÷10o, tốc độ 0,01o khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Giản đồ phân tích nhiệt ghi máy phân tích nhiệt TGA/DSC1 METTLER TOLEDO (Thụy Sĩ), khoảng nhiệt độ làm việc từ nhiệt độ phòng đến 800oC, tốc độ nâng nhiệt 10oC/phút, mơi trường khơng khí Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên Ảnh SEM mẫu vật liệu chụp thiết bị JEOL.5300, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 2.2 Tổng hợp sét hữu Quá trình khảo sát số điều kiện điều chế sét hữu tiến hành sau: cho 1,0 gam bent-B vào cốc thủy tinh 250ml chứa 100ml nước, khuấy tan ngâm trương nở 24 giờ, cho bentonit trương nở tối đa tạo huyền phù bentonit 1% Muối BTPB khuấy tan 50ml nước nhiệt độ thường theo khối lượng định Cho từ từ giọt dung dịch muối BTPB vào dung dịch chứa huyền phù bentonit 1%, điều chỉnh pH dung dịch HCl 0,1M NaOH 0,1M đến giá trị khảo sát.Tiếp tục khuấy nhiệt độ thời gian xác định máy khuấy từ gia nhiệt Sau phản ứng, hỗn hợp để ổn định 12 nhiệt độ phịng, sau lọc rửa kết tủa với nước cất để loại bỏ BTPB dư ion bromua, kiểm tra dung dịch AgNO3 0,1M Sản phẩm làm khô 48 80oC, nghiền mịn, thu sét hữu Đánh giá mẫu sản phẩm sét hữu giản đồ XRD phân tích nhiệt Nghiên cứu mẫu sét hữu điều chế điều kiện khảo sát phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp phân tích nhiệt (TGA) phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát trình điều chế sét hữu 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng Điều chế sét hữu theo quy trình 2.2 với khối lượng bent-B 1,0 gam, khối lượng BTPB 0,5 gam; pH phản ứng 9, thời gian phản ứng giờ, nhiệt độ phản ứng 20oC, 30oC, 40oC, 50oC, 60oC 70oC Bảng 1: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng tới giá trị d001 hàm lượng (%) cation xâm nhập mẫu sét hữu Nhiệt độ (oC) d001 (Å) Hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập bent-B 12,855 20 19,396 30 19,425 40 19,543 50 19,969 60 19,247 70 18,608 0,00 22,12 22,51 23,45 23,96 23,18 22,33 Từ kết bảng cho thấy sét hữu điều chế có giá trị d001 tăng lên từ 12,855Å (bentB) đến khoảng giá trị 18,608Å ÷ 19,969Å (trong mẫu sét hữu cơ) Giá trị d001 hàm lượng % cation xâm nhập tăng lên nhiệt độ phản ứng tăng từ 20oC ÷ 50oC đồng thời đạt cực đại giá trị nhiệt độ 50oC với d001 19,969Å (%) cation xâm nhập 23,96%, tăng nhiệt độ phản ứng lên từ 60oC ÷ 70oC hai giá trị lại giảm dần Vì vậy, nhiệt độ phù hợp lựa chọn cho trình điều chế sét hữu 50oC 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng BTPB/bent-B Điều chế sét hữu theo quy trình 2.2 với khối lượng bent-B 1,0 gam, nhiệt độ phản ứng 50oC, pH phản ứng 9, thời gian phản ứng giờ, khối lượng BTPB 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 gam 154 Bảng 2: Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng BTPB/bent-B đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu bent-B 12,855 Tỷ lệ khối lượng BTPB/bent-B d001 (Å) Hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập 0,00 0,2 0,3 0,4 16,695 18,905 19,273 0,5 19,97 0,6 0,7 19,221 18,233 19,62 23,46 22,58 Từ kết bảng cho thấy sét hữu điều chế có giá trị d001 tăng lên từ 12,855Å (bent - B) đến khoảng giá trị 16,695Å ÷ 19,97Å (trong mẫu sét hữu cơ) Giá trị d001 tăng lên tỉ lệ khối lượng tăng từ 0,2 ÷ 0,5 gam đạt giá trị cực đại 0,5 với giá trị d001 19,97Å, nhiên giá trị lại giảm dần khối lượng tăng lên từ 0,5 ÷ 0,7 gam Đồng thời hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập sét hữu tăng lên tăng tỉ lệ khối lượng từ 0,2 ÷ 0,5, đạt cực đại tỉ lệ 0,5 22,21 22,65 21,42 với hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập 23,46% tăng tỉ lệ khối lượng lên từ 0,5 ÷ 0,7 gam hàm lượng (%) cation xâm nhập lại giảm giá trị 21,42% Vì tỉ lệ khối lượng BTPB/bent-B lựa chọn cho trình điều chế sét hữu 0,5 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng pH phản ứng Điều chế sét hữu theo quy trình 2.2 với khối lượng bent-B 1,0 gam, nhiệt độ phản ứng 50oC, thời gian phản ứng giờ, pH phản ứng 7, 8, 9, 10, 11 Bảng 3: Ảnh hưởng pH phản ứng đến giá trị d001 hàm lượng cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu pH d001 (Å) Hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập bent-B 12,855 19,107 19,250 19,455 20,982 10 19,425 11 19,193 0,00 22,92 23,09 23,34 25,17 23,30 23,02 Từ kết bảng cho thấy giá trị d001 tăng lên từ 19,107Å ÷ 20,982Å giá trị pH tăng từ ÷ 9, giá trị d001 đạt giá trị cực đại pH 20,982 Å, tiếp tục tăng giá trị pH lên 10; 11 giá trị d001 lại giảm xuống Đồng thời xác định hàm lượng (%) cation xâm nhập nhận thấy giá trị pH tăng từ ÷ hàm lượng (%) cation xâm nhập tăng từ 22,92% ÷ 25,17%, sau đạt cực đại giá trị pH (25,17%), giá trị pH tăng lên 10; 11 hàm lượng (%) cation xâm nhập lại giảm xuống 23,02% Mặt khác, q trình làm thực nghiệm chúng tơi tiến hành đo pH bent-B khoảng 10,03, muối BTPB khoảng 7,0 hỗn hợp hai chất sau trộn vào có pH khoảng 8,8 Từ kết lựa chọn pH tối ưu cho trình điều chế sét hữu 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng Điều chế sét hữu theo quy trình 2.2 với khối lượng bent-B 1,0 gam, nhiệt độ phản ứng 50oC, tỉ lệ khối lượng BTPB/bent-B 0,5; pH huyền phù 9; thời gian phản ứng giờ, giờ, giờ, giờ, giờ, Bảng 4: Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến giá trị d001 hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập mẫu sét hữu bent-B Thời gian 12,855 d001 (Å) Hàm lượng (%) 0,00 cation hữu xâm nhập 2h 18,966 3h 19,135 4h 19,514 5h 19,221 6h 19,079 7h 18,854 22,39 22,59 23,04 22,69 22,53 22,26 155 Từ kết bảng cho thấy giá trị d001 tăng lên từ 18,966 Å lên 19,514 Å thời gian phản ứng thay đổi từ ÷ giờ, sau giá trị d001 giảm dần thời gian phản ứng tăng lên ÷ Đồng thời (%) cation xâm nhập biến đổi tương tự thời gian phản ứng tăng từ ÷ hàm lượng (%) cation xâm nhập tăng lên từ 22,39 % ÷ 23,04% tăng thời gian lên giá trị ÷ hàm lượng (%) cation xâm nhập lại giảm Như vậy, thời gian thích hợp để điều chế sét hữu 3.2 Nghiên cứu cấu trúc sét hữu điều chế điều kiện tối ưu Sét hữu điều chế (ở điều kiện nhiệt độ phản ứng 50oC, tỉ lệ khối lượng BTPB/bent-B 0,5, pH phản ứng 9, thời gian phản ứng giờ, theo quy trình 2.2) nghiên cứu phương pháp XRD, TGA SEM 3.2.1 Nghiên cứu sét hữu phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) So sánh kết giản đồ XRD bent- B sét hữu điều chế điều kiện tối ưu cho thấy góc nhiễu xạ 2θ dịch chuyển từ 6o – 7o (trong bent-B) 4,0o- 5,0o (trong sét hữu cơ) Giá trị d001 tăng từ 12,855Å (trong bent –B) lên giá trị 19,535Å (trong sét hữu cơ) Như qua giản đồ XRD cho thấy có cation hữu chèn vào lớp bent-B làm khoảng cách mạng tăng lên Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Ben toi uu 600 500 300 d=19.535 Lin (Cps) 400 200 100 1.5 10 2-Theta - Scale File: BenTN Toiuu.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.500 ° - End: 10.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.7 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 16 s - 2-Theta: 1.500 ° - Theta: 0.750 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 m b) a) Hình 3.1: Giản đồ XRD bent-B (a) sét hữu điều chế (b) 3.2.2 Nghiên cứu phương pháp phân tích nhiệt Kết phân tích nhiệt mẫu bent-B sét hữu điều chế điều kiện tối ưu trình bày hình 3.2 bảng Figure: Experiment:Ben Bent Crucible:PT 100 µl Atmosphere:Air 12/12/2018 Procedure: RT > 900C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG Figure: Mass (mg): 35.46 TG/% Experiment:BenTN Set huu co Crucible:PT 100 µl Atmosphere:Air 21/12/2018 Procedure: RT > 900C (10 C.min-1) (Zone 2) Labsys TG d TG/% /min Mass (mg): 9.75 TG/% 30 d TG/% /min 25 Peak :738.86 °C Peak :64.76 °C -0.5 Peak :512.07 °C 20 -1 -1.0 15 Peak :540.54 °C Peak :748.48 °C 10 Peak :108.26 °C Peak :327.59 °C -1.5 -2 0 -2.0 -3 Mass variation: -4.59 % Mass variation: -0.65 % -5 Mass variation: -10.99 % -10 -3 -2.5 -6 -15 Mass variation: -2.97 % Mass variation: -12.58 % -20 -3.0 -9 Mass variation: -3.41 % -25 -3.5 -12 -4 Mass variation: -7.68 % -30 -35 100 200 300 400 500 600 700 Furnace temperature /°C 100 200 300 400 500 600 Hình 3.2: Giản đồ phân tích nhiệt bent-A sét hữu điều chế 156 700 Furnace temperature /°C Bảng 5: Kết phân tích giản đồ nhiệt bent-A sét hữu điều chế Mẫu khảo sát Hiệu ứng khối lượng Nhiệt độ (oC) Sét hữu Quy kết cho trình Mất nước ẩm nước hấp phụ 440 ÷ 550 2,97 Phân hủy OH liên kết với cation vơ 620 ÷ 760 3,41 Mất nước ẩm 60 ÷ 100 0,65 nước hấp phụ Phân hủy, cháy cation 280 ÷ 380 10,99 hữu hấp phụ 460 ÷ 620 12,58 Phân hủy cháy cation hữu trao đổi lớp sét phân hủy OH liên kết với 720 ÷ 800 7,68 cation vơ Hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập 80 ÷ 140 Bent-B (%) khối lượng Tổng (%) khối lượng 4,59 Hình 3.2 bảng kết phân tích nhiệt cho thấy với sét hữu điều chế điều kiện tối ưu có hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập khoảng 20,93% Kết phù hợp với hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập xác định phương pháp nung mẫu trực tiếp 10,97 31,9 20,93 3.2.3 Nghiên cứu phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Ảnh SEM bent-B sét hữu điều chế điều kiện tối ưu trình bày hình 3.3 a) bent-B b) Sét hữu Hình 3.3 Ảnh SEM bent-B (a), sét hữu điều chế (b) Qua ảnh SEM bent-B sét hữu nhận thấy có khác rõ rệt, từ cấu trúc lớp độ xốp nhỏ đến cấu trúc lớp nhiều có độ xốp cao, chứng tỏ có cation hữu tương tác chèn vào lớp bentonit nên sét hữu điều chế ứng dụng làm vật liệu hấp phụ hợp chất hữu có kích thước lớn KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, chúng tơi xác định điều kiện thích hợp cho trình điều chế sét hữu từ bentonit Bình 157 Thuận BTPB môi trường nước nhiệt độ phản ứng 50oC; tỷ lệ khối lượng BTPB/bent-B 0,5; pH huyền phù 9; thời gian phản ứng Sét hữu điều chế có giá trị d001 19,535Å, góc 2θ cực đại khoảng 4,7o, hàm lượng (%) cation hữu xâm nhập sét hữu khoảng 20,93% Sét hữu có cấu trúc lớp độ xốp cao Các kết tương đương so với [2], [3], [4] Trong hướng nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu khả hấp phụ sét hữu điều chế với hợp chất hữu ứng dụng vào xử lí chất thải cơng nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Hoàng Hương (2016), Nghiên cứu điều chế sét hữu từ bentonit Ấn Độ với etyltriphenylphotphoni bromua bước đầu thăm dò ứng dụng, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên Phạm Thị Hà Thanh, Nguyễn Thị Giang Long (2017), Tổng hợp sét hữu từ bentonit (Thanh Hóa) với etyltriphenylphotphoni bromua, Tạp chí phân tích Hóa, lý sinh học, Tập 22 (4), tr 121-126 Phạm Thị Hà Thanh, “So sánh cấu trúc sét hữu tổng hợp từ etyltriphenyl photphoni bromua với bentonit (Ấn Độ) bentonit (Bình Thuận)”, Tạp chí phân tích Hóa, lý sinh học, Tập 23(1), 2018, tr 100-106 Phạm Thị Hà Thanh, Nguyễn Thị Thúy, Lê Văn Thuận, Nguyễn Mạnh Cường (2019), “Khảo sát trình điều chế sét hữu điều chế từ bentonit (Ấn Độ) với butyltriphenyl photphoni bromua bước đầu nghiên cứu cấu trúc”, Tạp chí phân tích Hóa, lý sinh học, Tập 24 (1), tr 169-174 Patel H A., Rajesh S Somani and Hari C Bajaj (2007), "Preparation and characterization of phosphonium montmorillonite with enhanced thermal stability", Applied Clay Science, Vol 35(3-4), pp.194-200 Patel H A., Rajesh S Somani, Hari C Bajaj and Raksh V Jasra (2007), "Synthesis and characterization of organic bentonit using Gujarat and Rajasthan clays", Current Science, Vol 92, pp 1004-1008 Patel, H.A., Somani, R.S., Bajaj, H.C and Jasra, R.V.(2007), Preparation and Characterization of Phosphonium Montmorillonite with Enhanced Thermal Stability, Appl Clay Sci., 35, pp 194–200 Lucilene Betega de Paiva, Ana Rita Morale, Francisco R Valenzuela Díaz Properties, (2008), “Organoclays: preparation and applications”, Applied Clay Science,42, pp 8–24 158 ... hướng nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu khả hấp phụ sét hữu điều chế với hợp chất hữu ứng dụng vào xử lí chất thải cơng nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Hoàng Hương (2016), Nghiên cứu điều chế sét hữu từ. .. bent-B sét hữu điều chế điều kiện tối ưu trình bày hình 3.3 a) bent-B b) Sét hữu Hình 3.3 Ảnh SEM bent-B (a), sét hữu điều chế (b) Qua ảnh SEM bent-B sét hữu nhận thấy có khác rõ rệt, từ cấu trúc. .. Nguyễn Mạnh Cường (2019), “Khảo sát trình điều chế sét hữu điều chế từ bentonit (Ấn Độ) với butyltriphenyl photphoni bromua bước đầu nghiên cứu cấu trúc? ??, Tạp chí phân tích Hóa, lý sinh học,